超高速窄脉冲纳秒信号采集的实现与应用研究

盛桂珍，赵 妍

（1.长春工程学院电气与信息学院，长春130012；2.中国科学技术大学信息科学技术学院，合肥230022）

0 引言

面对我国经济的日益崛起，现代高科技的进步和强大的国防力量储备，特别是国际间的技术竞争，各种技术领域的光电跟踪系统中，如雷达设备数据采集系统、激光接收机系统、侦测探测设备系统等，已不满足对常规信号的采集整理，而是要求能进一步实现对超高速窄脉冲信号的实时放大、展宽及幅度输出的控制，输入信号脉宽要求能达到纳秒级［1］，重频范围在10Hz～100kHz的窄脉冲信号，输出要求达到几伏的窄脉冲峰值保持展宽电压，并要具有宽带增益放大、大范围线性动态超强接收能力，而且还要保证系统的信号响应快、采集精度高，系统工作性能更要稳定可靠。这是目前我们科技攻关的又一重要课题。

1 超高速窄脉冲信号采集器的基本组成和工作原理

1.1 基本组成

超高速窄脉冲采集器系统框图如图1所示，前方输出的窄脉冲信号由采集器放大，峰值保持电路展宽后输出到信号处理器，由信号处理器输出AGC、波门信号控制［2］，完成放大电路的增益调整和窄脉冲信号快速响应及同步接收，实现对窄脉冲信号的大动态线性放大和高精度实时采样。

图1 大动态窄脉冲信号采集器系统组成框图

1.2 工作原理

采集器部分的原理图如图2所示，由大动态窄脉冲信号放大器和门控峰值保持电路2大部分组成。其中窄脉冲信号放大器由电压控制AGC电路、电压放大、电流放大等单元电路组成；门控峰值保持电路有门控开关电路、窄脉冲展宽电路和输出电路等单元电路组成。整体电路设有AGC控制电压输入端口，门控信号输入端口。

图2 大动态窄脉冲信号采集器部分原理框图

1.2.1 大动态窄脉冲信号放大器部分

见图2，由三级放大电路组成。第一级放大电路即为压控型AGC放大电路，带宽60MHz，由外控偏置电压控制增益连续可调，其输入端接收带正级性的窄脉冲输入信号［3］，输出有电流驱动能力的放大信号；第二级为宽带同相电压放大电路，带宽30MHz；第三级为带宽、高速电流放大电路，可提供不小于100mA的电流输出，以提高后级峰值保持展宽电路的响应速度。

1.2.2 门控峰值保持电路

如图3所示部分原理图，主要由门控高速开关电路（三极管Q1）；电容C、二极管D1及电阻组成的电容充放电电路和输出电路组成一个脉冲峰值保持展宽电路。三极管Q1为高速开关管，开关时间ton，tof≤30ns，导通电阻小Ron＝60Ω。静态时，三极管Q1闭合，二极管D1导通接地；当有输入信号时，Q1截止，前级放大输出的窄脉冲信号经D1给电容C充电，由于已保证前级放大器的频带足够宽、电流足够大，电容C上的信号幅度短时间内迅速上升到输入信号的峰值，而窄脉冲过后，由于二极管D1的单向导电性，电容C不能通过二极管D1放电，只能通过电阻放电，如果放电时间常数（τ＝RC）设计得较大，在Q1开关管闭合前，电容C上的电压可以保持信号幅度的峰值信息，保持时间即由保持电路的时间常数决定，τ＝RC。

图3 门控峰值保持电路原理图

门控开关管Q1由外部输入触发信号（TTL兼容电平）控制开关时间的宽度，具有可变的脉冲宽度，在放电时间常数τ以内，此外接波门宽度决定了信号保持时间的长短。三极管Q1闭合，保持即结束，这样就完成了窄脉冲信号的峰值保持并展宽的2项功能。最后一级输出级电路设计采用高输入阻抗、低输出阻抗的射随器电路U7，目的是提高输出级与前级的有效隔离，同时提高采集器的负载能力。

1.2.3 器件的选择和电路工艺要求

器件的选择方面，高速开关管Q1应选用具有超高速、低导通电阻的半导体3DK2E开关三极管和超高速、低导通电阻GaAs开关二极管D1［4］，确保对高速窄脉冲的快速响应和提高峰值采样精度；选用先进优质的宽带压控AGC放大电路模块及其他器件；器件合理布局，印刷线路板尽量应短而宽，大面积接地，以减小信号回路和供电回路串扰，以及输入、输出均就地接地等措施，从而可以大大地提高组件的工作稳定性［5］。

2 结语

综上所述，超高速窄脉冲采集器的技术难点是如何对窄脉冲小信号的大动态线性放大，宽带增益及其快速响应性和采样精度。设计的采集器输入信号的脉宽可达10～20ns、重频范围在10HZ～100 kHZ的纳秒级窄脉冲信号，输出达到3～5V的窄脉冲峰值保持展宽电压，经实际应用完全满足技术要求。做为一个电路组件，此项技术在国民经济、国防科技、通讯等领域，有着广泛的应用性和通用性，适用性强。特别是结合计算机、单片机技术，做为系统部件使用有着深刻而广泛的应用前途［6－7］。

［1］薛增泉.纳米电子学［M］.北京：电子工业出版社，2003：272－274.

［2］刘世刚，葛临东.一种性能优良结构简单的AGC电路［J］.今日电子，2005（9）：17.

［3］徐新艳.数字与脉冲电路［M］.北京：电子工业出版社，2007：4.

［4］沈能珏.现代电子材料技术［M］.北京：航天国防工业出版社，2002：35－73.

［5］徐勤建，梁媛，张朝晖.随机脉冲信号采集卡的设计［J］.电子设计工程，2010（7）：135－137.

［6］李小海，王振龙，赵万生.高频窄脉冲电流微细电解加工［J］.机械工程学报，2006（1）：162－167.

［7］徐文强，任勇峰，文丰.基于FPGA的高速脉冲信号源的设计与实现［J］.PLD CPLD FPGA 应用，2007，23（2）：251－252.